第一章基本半导体分立器件ok介绍

1、1,第1章常用半导体器件,1.1半导体基础知识1.2半导体二极管1.3晶体三极管1.4场效应管1.5单结晶体管和晶闸管,2,1.1半导体基础知识,1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结,3,导体：电阻率小于10-4.cm，很容易导电，称为导体.如铜、铝、银等金属材料；绝缘体：电阻率大于1010.cm，很难导电，称为绝缘体，如塑料、橡胶、陶瓷等材料；半导体：电阻率在10-3109.cm，导电能力介于导体和绝缘体之间，例如硅(Si)和锗(Ge)等半导体材料；,半导体材料制作电子器件的原因?,不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是在于半导体材料具有热敏性、光敏性和掺杂性。,

2、4,半导体材料制作电子器件的原因?,1、热敏性：是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加，例如纯净锗从20升高到30时，电阻率下降为原来的1/2；2、光敏性：半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性；例如硫化镉薄膜在暗处：电阻为几十M。光照：电阻下降为几十K3、掺杂性：是半导体导能力，因掺入适量的杂质而发生很大的变化，例如在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼杂质，电阻率下降到原来的几万分之一，利用这一特性，可以制造出不同性能不同用途的半导体器件。,5,1、本征半导体的晶体结构把非常纯净的,原子结构排列非常整齐的半导体称为本征半导体。,1.1.本征半导体,6,硅原子电子数为14，最外层电子为

3、四个。,锗原子电子数为32，最外层电子为四个。,常把原子核和内层电子数看作一个整体，称为惯性核。由于原子呈中性，惯性核带4单位正电荷。这样，惯性核和外层价电子构成一个简化的原子结构模型。,1.1.本征半导体,7,共价键,A硅原子电子数为14，最外层电子为四个，是四价元素,B、硅原子结合方式是共价键结合：(i)每个价电子都要受到相邻两个原子核的束缚;(ii)半导体的价电子既不象导体的价电子那样容易挣脱成为自由电子，也不象绝缘体中被束缚，所以其导电能力介于导体与绝缘体之间,1、本征半导体的原子结构共价键结合，以硅原子为例。,1.1.本征半导体,8,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+

4、4,共价键,2、本征半导体的激发与复合,A、本征激发电子、空穴对的产生,B、电子与空穴的复合,D、最后达到动态的平衡,C、空穴是可以移动的，其实是共价键的电子依次填补空穴，形成空穴的移动,1.1.本征半导体,9,本征半导体小结：,带正电荷的空穴,1、本征半导体中两种载流子：.是带负电荷的自由电子；.是带正电荷的空穴。2、本征半导体中电流由两部分组成：.自由电子移动产生的电流。.空穴移动产生的电流。,带负电荷的自由电子,10,3、温度越高，载流子的浓度越高，导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。这是半导体的一大特点。,4、本征激发产生的载流子数量很少，本征半导体导电能力很差。只

5、有在本征半导体中掺入适量的杂质，才能极大提高其导电性能，成为杂质半导体，用于制造各种半导体器件。,本征半导体浓度为书上P11，公式（1.1.1），自己看看。,本征半导体小结：,11,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加了。,P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(如硼)构成的杂质半导体。,N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(如磷)构成的杂质半导体。,1.1.2杂质半导体,12,1、N型半导体,多余电子因不受共价键的束缚成为自由电子，同时磷原子就成为不能移动的带正电的离子，称为施主原子。,另外N型半导体中还有少量的空

6、穴，其浓度远小于自由电子的浓度，所以把自由电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子，简称多子和少子。,在本征半导体中掺入五价元素,多余电子,磷原子,1.1.2杂质半导体,13,2、P型半导体,P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。,当附近硅原子的外层电子由于热运动填补空穴时，硼原子成为不可移动的负离子。硼原子称为受主原子。,在本征半导体中掺入三价元素,空穴,硼原子,1.1.2杂质半导体,14,3、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子浓度与所掺杂质浓度相等。整块的半导体仍为中性.,1.1.2杂质半导体,1

7、5,小结,4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。,5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。,1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。,2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。,3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。,16,P型区,N型区,(1)多子的扩散运动产生空间电荷区建立内电场,(2)随着内电场由弱到强得建立,少子漂移从无到有,逐渐加强,而扩散运动逐渐减弱,形成平衡的PN结。,1、PN结(PNJunction)的形成,多子的扩散,多子

8、的扩散,1.1.3PN结,耗尽层,问题：PN结是带正电，还是负电？,17,2、PN结的单向导电性,(1)正向偏置(forwardbias外加正向电压)(2)反向偏置(reversebias外加反向电压),1.1.3PN结,18,(1)、外加正向电压(正向偏置forwardbias),P,N,内电场,外电场,IF=I多子I少子I多子,A、正向偏压的接法：P区接高电位，N区接低电位,B、正向偏压削弱内电场，有利多子的扩散运动，使PN结空间电荷区变窄；,C、正向偏压时，PN结为导通状态，外电路电流IF很大，PN结呈现的正向电阻很小,I多子,PN结为导通状态,1.1.3PN结,限流电阻,19,P,N,

9、内电场,IR=I少子0,A、反向偏压的接法：P区接低电位，N区接高电位,B、反向偏压内电场增强，不利多子扩散运动，有利于少子的漂移运动，形反向电流IR，IR很小，硅管为纳安数量级，锗管为微安数量级。,C、反向偏压，使PN结空间电荷区变宽。,D、反向偏压PN结为截止状态，外电路电流接近为O，PN结呈现的反向电阻很大,(2)外加反向电压(反向偏置reversebias）,I少子,PN结为截止状态,1.1.3PN结,20,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止。,总结,21

10、,1.2半导体二极管(SemiconductorDiode),1.2.1半导体二极管的几种常见结构1.2.2二极管的伏安特性1.2.3二极管主要参数1.2.4二极管的等效电路1.2.5稳压二极管1.2.6其它类型二极管,22,构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode),分类：,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,1、结构与类型,阳极,阴极,1.2.1半导体二极管的几种常见结构,23,（常见二极管的结构和外型）,2、特点与用途,1.2.1半导体二极管的几种常见结构,PN结面积小,结电容小,适用于高频电路和小功率整流,工作频率高。,不能通过较大的电流,PN结面积大,能通过较大的电流,结电容大

11、,能在低频下工作,一般仅作为整流管使用,PN结面积可大可小,视结面积的大小用于大功率整流和开关电路中,半导体二极管图片,25,26,伏安特性曲线通过二极管的电流随外加偏压的变化规律，称为二极管的伏安特性。以曲线的形式描绘出来，就是伏安特性曲线。,正向偏压,反向偏压,1.2.2二极管的伏安特性,27,图1.2.3二极管的伏安特性,锗管,硅管,硅管,锗管,死区电压Uon,1.2.2二极管的伏安特性,伏安特性曲线,导通电压:硅管0.60.8V,锗管0.10.3V,死区（开启）电压Uon:硅管0.5V，锗管0.1V,28,图二极管的伏安特性,锗管,硅管,硅管,锗管,死区电压Uon,1、正向特性加正向偏

12、压uA、u较小时，i较小B、u大于死区电压时，i迅速增加，并按指数规律上升。C、当二极管电流变化很大时，二极管两端电压几乎不变，硅管约0.60.8V，锗管约0.10.3V，分别作为正向工作时两端直流压降得估算值。,2、反向特性加反向偏压URA、反向电流IR是少子漂移运动引起，所以数量小，几乎不变，又称为反向饱和电流IS。B、当温度升高，IS增加C、硅管IS小于1uA，锗管为几十到几百uA。,3、击穿特性当UR继续增大，并超过某一个特定电压值时，IR将急剧增大，这种现象称为击穿，这时对应的电压叫击穿电压UBR。,1.2.2二极管的伏安特性,伏安特性曲线,29,1、最大整流电流IF指二极管在一定温

13、度下，长期允许通过的最大正向平均电流2、最高反向工作电压UR指二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常为击穿电压U(BR)的一半。,1.2.3二极管的主要参数,30,3、反向电流IR（反向饱和电流IS)这个值越小，则管子的单向导电性就越好。,1.2.3二极管的主要参数,31,4、结电容与最高工作频率fMPN结的电容效应(1)PN结加电压后，其空间电荷区会发生变化，这种变化造成的电容效应称为结电容。(2)结电容越大。二极管的高频单向导电性越差。(3)fM就是二极管仍然保持单向导电性的外加电压最高频率。,1.2.3二极管的主要参数,32,IF/mA,0.2,0.6,0.4,0.8,UF/V,5、二

14、极管的温度特性,T升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降,输入曲线左移当温度升高10C时，IR增加一倍,IR/A,UD(on),半导体具有热敏性，温度变化,使二极管参数发生变化，使二极管工作不稳定。,IF/A,1.2.3二极管的主要参数,二极管是非线性器件，,由二极管构成电路是非线性电路。,分析困难,用线性元件构成的电路来近似模拟二极管的特性,二极管的等效电路,多种等效电路，根据应用要求进行选择,1.2.4二极管的等效电路,34,图1.2.4二极管的近似模型,(1)理想模型A、正向导通，管压降为0，即UF=0，视二极管为短路；B、反向截止，电流为0，即IF=0，视二极管为开路,阳极,阴

15、极,阳极,阴极,阳极,阴极,理想二极管,1.2.4二极管的等效电路,35,图1.2.4二极管的近似模型,A、正向导通时二极管管压降为恒定值Uon：硅管0.7V锗管0.2V,Uon,1.2.4二极管的等效电路,B、反向截止，i=0,(2)恒压降模型,理想二极管,36,1.1半导体基础知识,1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结,半导体材料制作电子器件的原因?,是在于半导体材料具有热敏性、光敏性和掺杂性。,复习页,37,本征半导体小结：,1、本征半导体中两种载流子：.带负电荷的自由电子；.带正电荷的空穴。2、本征半导体中电流由两部分组成：.自由电子移动产生的电流。.空穴移动产生的

16、电流。,3、温度越高，载流子的浓度越高，导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。,4、本征激发产生的载流子数量很少，本征半导体导电能力很差。只有在本征半导体中掺入适量的杂质，才能极大提高其导电性能，成为杂质半导体，用于制造各种半导体器件。,复习页,38,P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(如硼)构成的杂质半导体。,N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(如磷)构成的杂质半导体。,1.1.2杂质半导体,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子浓度与所掺杂质浓度相等。整块的半导体仍为中性.,复习页,39,小结,4、P型半导

17、体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。,5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。,1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。,2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。,3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。,复习页,40,1.1.3PN结,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，PN结导通。扩散运动是因浓度差引起的；,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，硅管为纳安数量级，锗管

18、为微安数量级，PN结截止。漂移运动是因电位差而产生的。,复习页,41,1.2半导体二极管,构成：PN结+引线+管壳=二极管(Diode),阳极,阴极,正向偏压,反向偏压,复习页,42,图1.2.3二极管的伏安特性,锗管,硅管,硅管,锗管,死区电压Uon,二极管伏安特性曲线,导通电压:硅管0.60.8V,锗管0.10.3V,死区（开启）电压Uon:硅管0.5V，锗管0.1V,复习页,43,1、最大整流电流IF2、最高反向工作电压UR,1.2.3二极管的主要参数,3、反向电流IR（反向饱和电流IS)这个值越小，则管子的单向导电性就越好。,4、结电容与最高工作频率fMPN结的电容效应(1)结电容越大

19、。二极管的高频单向导电性越差。(2)fM就是二极管仍然保持单向导电性的外加电压最高频率。,5、二极管的温度特性,半导体具有热敏性，温度变化,使二极管参数发生变化，使二极管工作不稳定。,复习页,44,1.2.4二极管的等效电路,图1.2.4二极管的近似模型,(1)理想模型A、正向导通，管压降为0，即UF=0，视二极管为短路；B、反向截止，电流为0，即IF=0，视二极管为开路,阳极,阴极,阳极,阴极,阳极,阴极,理想二极管,复习页,45,图1.2.4二极管的近似模型,(2)恒压降模型,Uon,1.2.4二极管的等效电路,理想二极管,B、反向截止，i=0,A、正向导通时二极管管压降为恒定值Uon：硅

20、管0.7V锗管0.2V,复习页,46,图1.2.4（）二极管的折线模型,(3)折线模型,Uon,A、二极管正向电压UUon后，其电流I和U成线性关系，直线斜率为1/rD。B、反向截止，i=0因此，等效电路是理想二极管串联电压源和电阻rD。,理想二极管,1.2.4二极管的等效电路,47,若,则,若,则,精确计算,例：P21UD=0.7V,S断开时：D导通,S闭合时：D截止,48,例1电路如图所示，试判断二极管是导通还是截止，并求出AO两端电压UAO,设二极管是理想的。,解：,假设不成立，所以D导通，,相当于导线，,UAO=-6V。,B,C,VB=-6V,VC=-12V,假设二极管不导通,49,二

21、极管在电子技术中的应用简介,1、整流应用利用二极管单向导电性把大小和方向都变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电,50,Ui,Uo,t,t,截止,导通,Ui,Uo,UD,RL,(a)二极管整流电路;(b)输入与输出波形,1、整流应用,(假设二极管是理想二极管),51,2、限幅的应用,利用二极管单向导性，将输出电压限定在要求的范围之内，称为限幅。,52,导通,截止,导通,截止,2、限幅的应用,uo,Ui,t,-3,t,+3,-5,uo/v,ui/v,+5,E13v,3vE2,（a）双向限幅电路;（b）输入与输出波形,Ui3V:VD1导通,VD2截止U0=3V,Ui-3V:VD2导通,VD1截止U0

22、=-3V,-3VUi3V:VD1、VD2都截止U0=Ui,53,1.3特殊二极管,1.3.1稳压二极管1.3.2发光二极管与光敏二极管1.3.3变容二极管,1.2.3二极管的主要参数,54,1、稳压二极管伏安特性曲线及其工作原理稳压管的稳压作用在于：在反向击穿区内，反向电流i有很大变化，而稳压管两端电压u几乎保持不变。只要IzminIZIZmAX，稳压管既不损坏，又可使稳压管两端电压几乎保持不变。,符号,UZ就是稳压二极管的反向击穿电压,阳极,阴极,1.2.5稳压二极管,55,2、稳压管的主要参数(1)稳定电压UZUZ就是稳压管的反向击穿电压,如2DW7，UZ（6.16.5V之间）(2)稳定电

23、流IZ稳压二极管正常工作时的参考电流，经常将IZ记作IZmin。IZIZmin.IZmin约为几mA以上(3)额定功耗PZM：PZM等于UZ与最大稳定电流IZM的乘积。IZIZM,PZM=UZIZM,1.2.5稳压二极管,56,2、稳压管的主要参数(4)动态电阻rZ动态电阻是反映稳压二极管稳压性能好坏的重要参数，rZ越小，反向击穿区曲线越陡，稳压效果就越好。,1.2.5稳压二极管,57,1、发光二极管简称“LED”是英文LightEmittingDiode的缩写。其电路及符号，如图。(1)、工作原理：发光二极管也具有单向导电性。当外加反向偏压，二极管截止不发光,当外加正向偏压，二极管导通，因流

24、过正向电流而发光(2)、发光机理：是由于正偏时，电子空穴复合释放出能量所致，发光颜色与材料及掺杂元素有关。(3)、发光二极管工作电流一般约为几至几十mA，正向电压降约为1.53V。,1.2.6其他类型二极管,58,2、光电二极管(1)、光电二极管也叫光敏二极管，也具有单向导电性(2)、光电二极管的PN结被封装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管子顶部，可以直接受到光的照射。(3)、正偏时光电二极管的光敏特性不明显，反偏时，光电二极管处于截止状态：没有光照时，PN结反向电阻大，反向电流小；有光照射时，PN结附近产生光生电子空穴对，它们在偏压作用下,作定向运动,宏观上形成了光电流。,1.2.6其他类型

25、二极管,59,发光二极管,60,光敏二极管,61,发光二极管与光电二极管,3、应用于远距离光电传输,图1-21远距离光电传输的原理,62,1.3晶体三极管,1.3.1晶体管的结构及类型1.3.2晶体管的电流放大作用1.3.3晶体管的共射特性曲线1.3.4晶体管的主要参数1.3.5温度对晶体管三极管参数的影响1.3.6光电三极管,63,1.3.1晶体管的结构及类型,半导体三极管是电子电路重要器件,它通过一定的工艺,将两个PN结结合在一起,由于两个PN结的相互影响,使三极管具有电流放大作用.从二极管发展到三极管,这是一个质得飞跃.1、分类按材料分：硅管；锗管按功率分：小功率管；中功率管；大功率管按

26、结构分：NPN；PNP,64,2、NPN和PNP管的结构示意及符号,PN结,PN结,发射区,发射极emitter,基区,基极base,集电区,集电极collector,集电结,发射结,NPN型,(1)符号中的箭头方向是三极管的实际电流方向,符号,(2)三极管有三个区：发射区发射极e；基区基极b；集电区集电极c。,(3)发射区掺杂浓度远高于基区掺杂浓度，基区很薄且掺杂的浓度低；而集电结面积比发射结面积大得多，所三极管的发射极与集电极不能对调使用。,65,2、NPN和PNP管的结构示意及符号,PN结,PN结,发射区,发射极emitter,基区,基极base,集电区,集电极collector,集电结

27、,发射结,PNP型,(1)符号中的箭头方向是三极管的实际电流方向,符号,(2)三极管有三个区：发射区发射极e；基区基极b；集电区集电极c。,(3)发射区掺杂浓度远高于基区掺杂浓度，基区很薄且掺杂的浓度低；而集电结面积比发射结面积大得多，所三极管的发射极与集电极不能对调使用。,66,常见晶体管的外形,67,常见晶体管的外形,68,1.3.1晶体管的结构及类型,复习页,NPN结构示意及符号,集电结,发射结,发射极,基极,集电极,集电区,基区,发射区,c,b,e,电路符号,69,1.3.1晶体管的结构及类型,复习页,PNP结构示意及符号,集电结,发射结,发射极,基极,集电极,集电区,基区,发射区,c

28、,b,e,电路符号,70,发射结正偏,集电结反偏,1.3.2晶体管的电流放大作用,1、三极管内的载流子的传输过程（以NPN为例）,电源接法:UBB使发射结正偏UBE=0.7V0UCC使集电结反偏UBC0为了达到这个目的,要保证UCCUBB,（2）电子在基区的扩散与复合，形成基极电流IB。因为基区很薄，且掺杂浓度低，电子只有一小部份被基区的空穴复合，大部份电子很快到达集电结边缘。,(1)由于发射结正偏，因此高掺杂浓度的发射区中的多子（自由电子）越过发射结，向基区扩散，形成发射极电流IE。,（3）由于集电结反偏，扩散到集电结边缘的电子，很快被吸引越过集电结，形成集电极电流IC。,71,2、电流分配

29、关系,Rb,UBB,IC,IE,IB,（以NPN为例）,三极管内的载流子运动规律,_,发射极电流IE,集电极电流IC,基极电流IB,三极管的直流电流放大系数,72,2、电流分配关系,（以NPN为例）,发射极电流IE,集电极电流IC,基极电流IB,三极管的直流电流放大系数,ICEO叫做穿透电流,当ICBO较小时,可以忽略不计,此时，,73,输入回路,输出回路,(1)无交流信号UBB接输入回路,使发射结正偏UCC接输出回路,使集电结反偏在这种偏置下产生IE、IC、IB、IC=IB,这是对直流电流的放大作用.,3、三极管的电流放大作用,UBB,UCC,RC,RB,如图所示称为三极管的共发射极放大电路

30、。因为这个电路中包含由三极管的基极b与发射极e构成的输入回路和由集电极c与发射极e构成的输出回路，三极管的发射极作为输入和输出回路的公共端，所以称为共发射极放大电路。,三极管的共发射极放大电路,74,(2)加入交流信号后A.Ic是IB的倍,三极管对IB有放大作用,越大,控制能力越强,所以三极管是一个有电流放大的电流控制元件.B.Ic在RC上产生的输出电压Uo,而Uo比Ui大约大几十倍,可以得到电压放大。,3、三极管的电流放大作用,UBB,UCC,RC,RB,75,1.3.3晶体管的共射特性曲线,什么叫晶体管的共射特性曲线？晶体管的共射特性曲线是指三极管各电极电压与各电极电流之间关系的曲线，它是

31、管子内部载流子运动规律的外部体现。,76,输入回路,输出回路,1、输入特性曲线:(1)是研究当UCE=常数时，UBE和iB之间的关系曲线，用函数关系式表示为:,77,(1)UBE和iB之间的关系曲线(2)用UCE=1V的输入特性曲线来代表UCE1V所有输入特性曲线(3)输入特性的死区电压：硅管约为0.5V；锗管约为0.1V。发射结正偏导通后：硅管UBE=0.7V；锗管UBE=0.2V,1、输入特性曲线,20,0.4,0.6,0.8,100,60,80,40,0.2,78,2、输出特性曲线:(1)是研究当iB=常数时，UCE和iC之间的关系曲线，用函数表示为:,输入回路,输出回路,79,2、输出特性曲线,(2)输出特性曲线,当UCE较小时起始部份很陡，当UCE略有增加，iC增加很快，当UCE1V以后，再增加UCE、iC增加不明显。(3)如改变IB则得到另一条输出特性曲线。,80,（a）输入特性曲线;（b）输出特性曲线,三极管的输入、输出特性曲线,81,3、把输出特性曲线划分成三个区,5,10,15,20,饱和区,截止区,放大区,击穿区,(3)饱和区区域：uCE0.7v以左部分条件：发射结正偏，集电结正偏。uBE0,uBC0特点：失去放大能力，即iCiB不